CN217426471U - 一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，应用于受控核聚变领域，针对现有的超导导体难以满足磁约束受控核聚变磁体大电流、强磁场等复杂的运行工况的问题，本实用新型将窄化带材用于导体中，可以有效地降低导体的交流损耗，以满足磁约束受控核聚变磁体大电流、强磁场等复杂的运行工况；并且采用平行和垂直堆叠的窄化带材，沿导体圆周交替分布在螺旋形沟槽中，可以降低导体临界电流的各向异性，使电流在导体中的分布更均匀；导体的通道数设计为偶数，可以保证在通道中平行、垂直堆叠的带材组数相同，有利于电流的均匀分布；随着导体通道数量的增加，导体的载流能力可以得到大幅提升。
Description
技术领域
本实用新型属于受控核聚变领域，特别涉及一种应用于磁约束受控核聚变磁体系统的超导导体。
背景技术
磁约束作为最有希望实现受控核聚变的一种技术，需要通过强磁场将高温等离子体约束在一定的区域，并保持足够的时间，使其发生充分的核聚变反应。基于托卡马克装置的磁约束受控核聚变，作为一种有效的实验途径，通过装置磁体系统产生的强磁场，对高温等离子体的位置、形状、整体稳定性等进行控制，从而实现对等离子体的有效约束。磁体系统作为托卡马克装置的核心部件之一，不仅要满足大孔径、高电流、强磁场的特性，还要承受等离子体放电过程中，由于复杂、极端运行工况下电磁应力、交流损耗等造成的机械扰动以及热扰动。高温超导磁体由于其高场下优良的载流性能、较高的运行温度，通过合理优化高温超导磁体导体的结构，可以在有效地满足托卡马克装置磁体系统大电流、强磁场特性的同时，又具备良好的机械稳定性及热稳定性，从而为核聚变反应持续稳定地运行提供有效的保障。
目前，基于TSTC的5通道CICC高温超导导体，被广泛地应用于磁约束受控核聚变磁体系统。随着核聚变技术的持续发展，等离子体的运行参数和品质不断提高，对未来托卡马克装置磁体系统的高温超导导体的结构设计也提出了更高的要求，包括：更好的载流特性、极端强磁场以及低损耗的要求；现有的5通道CICC高温超导导体难以满足磁约束受控核聚变磁体大电流、强磁场等复杂的运行工况。
实用新型内容
本实用新型为解决上述技术问题，提出了一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体。
本实用新型采用的技术方案是：一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，从外至内依次包括：保护套、绝缘层以及金属基体；
所述金属基体的结构具体为：中心开有同轴冷却剂通孔、金属基体表面设置有等间隔的螺旋沟槽、螺旋沟槽中设置有导体；
金属基体表面设置的螺旋沟槽数量为偶数，且螺旋沟槽数量大于或等于4。
每个螺旋沟槽深度相同且截面呈方形。
每个螺旋沟槽中的导体采用的带材结构为：平行堆叠窄带材与垂直堆叠窄带材中的一种，且相邻螺旋沟槽中的导体采用不同的带材结构。
本实用新型的有益效果：本实用新型的导体相比于现有技术能满足磁约束受控核聚变磁体大电流、强磁场等复杂的运行工况，具有以下优点：
1.本实用新型的多通道导体由于通道数量增多，导体的利用率更高，因此，具有更高的载流能力；
2.本实用新型的导体的通道数设计为偶数，堆叠带材平行、垂直交替分布可以改善临界电流的各向异性，使导体中电流的分布更均匀，因此，可以产生更强的磁场；将带材窄化，可以有效地降低导体的交流损耗。
3.将窄化带材用于导体中，可以有效地降低导体的交流损耗，减少磁体系统失超的风险，从而降低整个系统的制冷成本，提高系统的运行稳定性。
附图说明
图1为多通道高温超导导体三维示意图；
图2为多通道高温超导导体二维示意图；
图3为多通道高温超导导体金属基体三维示意图；
图4为多通道垂直堆叠和平行堆叠窄化带材三维示意图；
图5为多通道垂直堆叠和平行堆叠窄化带材二维示意图；
图6为平行垂直堆叠窄化带材二维示意图；
其中，(a)为平行堆叠带材，(b)为平行堆叠窄化带材，(c)为垂直堆叠带材(d)为垂直堆叠窄化带材；
附图标记：1为中心冷却剂通孔，2为金属基体，3为垂直堆叠窄化带材，4为平行堆叠窄化带材，5为导体绝缘层，6为导体保护套。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本实用新型的技术内容，下面结合附图对本实用新型内容进一步阐释。
如图1、2所示，本实用新型在现有的5通道TSTC-CICC高温超导导体的基础之上，设计出一种载流性能更好、载流能力更强，交流损耗较低，机械性能良好且易于加工制造的，一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体。该导体主要由中心开有同轴冷却剂通孔1的圆柱形金属基体2，垂直、平行堆叠的窄化带材3、4，导体绝缘层5，导体保护套6组成。
圆形的同轴冷却剂通孔1中通以液氦或液氮，对整个导体进行冷却。
如图3所示，中心圆柱形金属基体2表面沿圆周方向，等间隔地开有深度相等的截面为方形的螺旋形沟槽，对嵌入其中的如图4所示的垂直、平行堆叠的窄化带材起到支撑和导向的作用，圆柱形金属基体2的主要材料为铜和铝。
绝缘层5使导体周围环境绝缘，保证电流沿着导体的方向传播，绝缘层5采用聚乙烯绝缘。
保护套6对导体起到约束、密封和保护的作用，保护套6可以采用铝或不锈钢。
与现有的5通道TSTC-CICC导体主要的不同点有三点：
1.导体通道的数量不一样，现有的TSTC-CICC导体为5通道，通道数为奇数。本实用新型设计的是多通道，而且通道数要保证为偶数，如图5所示，本实施例中给出的是8通道导体，但本实用新型不局限于8通道，具体的通道数可以根据导体的尺寸及机械强度的要求来确定，在保证通道数为偶数的前提下，通道数量可以大于等于4。
2.现有的5通道TSTC-CICC导体中的带材都是采用的平行堆叠的方式。如图6所示，本实用新型设计的导体中的带材，沿着基体圆周方向采用垂直、平行堆叠交替分布的方式。通道数设计为偶数，就可以保证垂直、平行堆叠的带材的组数相同。
图6中(a)为平行堆叠带材，即将未经窄化处理的带材进行平铺堆叠，(b)为平行堆叠窄化带材，即将窄化处理后的带材，如图(b)所示，包括3根窄带材作为一层，进行平铺堆叠，(c)为垂直堆叠带材，即将未经窄化处理的带材进行竖直堆叠，(d)为垂直堆叠窄化带材，即将窄化处理后的带材，如图(d)所示，包括3根窄带材作为一层，进行竖直堆叠。本领域技术人员应知这里的平行、垂直是以带材平面相对于螺旋沟槽底面的空间位置而言的，具体的平行指带材或窄带材平面与螺旋沟槽底面平行，垂直是指带材或窄带材平面与螺旋沟槽底面垂直。
本实用新型中的带材为ReBCO高温超导带材。
本实用新型中带材窄化后，不是将原来的一根带材窄化为如图6中(b)、(d)所示的3根窄带材后做为一个整体进行堆叠，而是根据窄化后的窄带材的宽厚进行堆叠，即堆叠后的螺旋沟槽中的整体带材尺寸与螺旋沟槽尺寸适配。
记螺旋沟槽尺寸为a×b×c，a为长，b为宽，c为高，本实施例中螺旋沟槽截面尺寸为方形，即b＝c；记窄化前的带材宽为m厚为n，带材长度适配螺旋沟槽长度，窄化后的窄带材厚度n不变，宽度为
x表示一根宽度为m的带材窄化后的窄带材数量，本实施例中x＝3；比如垂直窄化堆叠具体为：根据窄带材宽度
螺旋沟槽高度c适配得到垂直的一层需要的窄带材数量，将适配得到的多根窄带材垂直堆叠为一层；然后根据窄带材厚度n、螺旋沟槽宽度b，适配得到层数；相应的水平窄化堆叠具体为：根据窄带材宽度
螺旋沟槽宽度b，适配得到水平的一层需要的窄带材数量，将适配得到的多根窄带材水平堆叠为一层；然后根据窄带材厚度n、螺旋沟槽高度c，适配得到层数。
虽然本实用新型图6中给出的是将一根带材窄化成三根细带材，但实际不只是局限于只窄化成3根带材，也可以窄化成2根、4根或多根窄带材，具体的窄化根数可以根据原来未窄化带材的宽度、窄化工艺，以及具体的导体尺寸及导体设计参数而定。
3.现有的5通道TSTC-CICC导体每个沟槽中的带材都未窄化，而本实用新型设计的导体将每个沟槽中的带材都是窄化带材。带材的窄化处理为现有已知技术，本实用新型中不做详细阐述。
与现有的5通道TSTC-CICC导体相比主要的优势：
1.随着导体通道数量的增加，导体的载流能力可以得到大幅提升。
2.平行和垂直堆叠的窄化带材，沿导体圆周交替分布在螺旋形沟槽中，可以降低导体临界电流的各向异性，使电流在导体中的分布更均匀。导体的通道数设计为偶数，可以保证在通道中平行、垂直堆叠的带材组数相同，有利于电流的均匀分布。电流均匀分布，可以提高导体的载流能力，降低导体失超的风险。
3.将窄化带材用于导体中，可以有效地降低导体的交流损耗，以满足磁约束受控核聚变磁体大电流、强磁场等复杂的运行工况。
与现有的5通道TSTC-CICC导体相比的主要共同点，都是在圆柱形的基体上加工方形截面的螺旋形沟槽，因此，可以采用现有的加工工艺。所以，本实用新型设计的用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，优势明显，加工工艺成熟，设计方案切实可行。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，其特征在于，从外至内依次包括：保护套、绝缘层以及金属基体；
所述金属基体的结构具体为：中心开有同轴冷却剂通孔、金属基体表面设置有若干等间隔的螺旋沟槽、螺旋沟槽中设置有导体。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，其特征在于，金属基体表面设置的螺旋沟槽数量为偶数。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，其特征在于，螺旋沟槽数量大于或等于4。
4.根据权利要求3所述的一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，其特征在于，每个螺旋沟槽中的导体采用的带材结构为：平行堆叠带材与垂直堆叠带材中的一种，且相邻螺旋沟槽中的导体采用不同的带材结构。
5.根据权利要求4所述的一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，其特征在于，平行堆叠带材与垂直堆叠带材均采用窄化后的带材。
6.根据权利要求5所述的一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，其特征在于，每个螺旋沟槽深度相同且截面呈方形。
7.根据权利要求6所述的一种用于磁约束受控核聚变的多通道高温超导导体，其特征在于，保护套材质为铝或不锈钢。
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